CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ MÁY
3.7 Tối ưu hóa biên dạng dao băm
3.7.6 Mô phỏng kiểm tra xác thực
Từ phân tích tỷ lệ S/N, biến dạng tối thiểu có thể thu được dưới sự kết hợp của A1-B3-C1-D3-E1-F3 như được chỉ ra trong Hình 3.10. Từ hình dạng của lưỡi cắt, sự kết hợp này mở rộng đầu dao băm, và do đó giảm thiểu sự biến dạng. Kết quả này được kiểm tra xác thực bằng phần mềm Minitab®. Kết quả xác thực (Hình 3.12) cho thấy sự nhất quán với kết quả tính thủ cơng bằng Excel®. Điều này cho thấy tính chính xác của q trình vận dụng cơng thức. Thực tiễn cho thấy, các kỹ sư trong các phân xưởng sản xuất chỉ vận dụng phần mềm, chẳng hạn như Minitab®, để tối thiểu hóa thời gian quy hoạch thực nghiệm và phân tích kết quả.
Một mô phỏng bổ sung đã được thực hiện bằng cách sử dụng các điều kiện này như một thử nghiệm xác nhận. Kết quả cho thấy độ biến dạng tối đa là 0,1621 μm, Hình 13. Giá trị này thấp hơn giá trị biến dạng của tất cả các trường hợp được liệt kê trong mảng trực giao trong Bảng 3.11.
Hình 3.13: Kết quả thực hiện phương pháp Taguchi bằng phần mềm Minitab®.
Hình 3.14: Phân bố của biến dạng của dao có các yếu tố hình học đã được tối ưu hóa
Hình 3.15: Hình ảnh lưỡi cắt được sử dụng trước đây thơng qua Icamscope® 3.7.7 Thực nghiệm kiểm tra xác thực
Để xác thực các yếu tố hình học tối ưu thu được bằng phương pháp Taguchi, một thí nghiệm xác nhận đã được thực hiện. Trong thí nghiệm, hai loại lưỡi cắt, được đề xuất từ phương pháp Taguchi và dao cũ, đã được sử dụng đồng thời. Điều đáng chú ý là các lưỡi dao băm cũ, được sử dụng trước đây trong xưởng, đã bị biến dạng dễ dàng như trong Hình 3.14 sau khoảng năm giờ làm việc liên tục. Hai loại lưỡi dao băm mới sau đó cũng được đo bằng kính hiển vi điện tử sau khoảng năm giờ làm việc liên tục.
dao số #3 trong Bảng 3 và dao có biên dạng theo đề xuất từ phương pháp Taguchi trước khi chạy thử nghiệm. Kích thước của chúng gần như giống nhau, 63 μm so với 62 μm. Cịn các Hình 3.16a và b hiển thị kích thước của chúng sau khoảng năm giờ làm việc liên tục. Bán kính của đầu băm của lưỡi dao băm số #3 tăng lên 88 μm trong khi của lưỡi dao từ Taguchi là 71 μm. Từ thử nghiệm xác nhận này, ta có thể kết luận được rằng phương pháp Taguchi có thể tạo ra một sự kết hợp các thơng số kích thước hình học tốt hơn để có thể giảm thiểu độ biến dạng của dao băm.
Hình 3.16: Ảnh chụp lưỡi dao băm trước khi thử nghiệm qua Icamscope® (a) trường hợp #3 (b) sau khi dùng Taguchi
Hình 3.17: Ảnh chụp lưỡi dao băm sau khi thử nghiệm qua Icamscope® (a) trường hợp #3 (b) sau khi dùng Taguchi
Do đó, các kết quả đã xác nhận cả bằng mô phỏng lẫn thực nghiệm, rằng phương pháp Taguchi là đủ để khắc phục nhược điểm về hình học của lưỡi dao băm,
3.8 Tiểu kết
Xuất phát từ yêu cầu chức năng ban đầu là “chai nhựa được băm nhỏ” nhờ quá trình ánh xạ, phân rã cũng như tuân thủ tiên đề 1 ở dạng ma trận đường chéo, các FR DP được phân tách kỹ càng trên nền tảng cấu tạo chung cũng như nguyên lý hoạt động của máy băm nhựa. Sau đó nhóm sử dụng các tham số thiết kế này để thiết kế các chi tiết vật lý trong máy thoả mãn các yêu cầu chức năng tương ứng, lắp ghép các chi tiết được mơ hình máy băm chai nhựa hoàn chỉnh với sự hỗ trợ của phần mềm Siemen NX trong việc thiết kế 3D và xuất bản vẽ 2D.
Trục và dao băm là các chi tiết có chức năng quan trọng trong máy băm nhựa, các chi tiết này đã được tính tốn, kiểm nghiệm bền để thoả mãn với điều kiện làm việc.
Quá trình ánh xạ, phân rã của ADT khơng chỉ giúp hình dung được hoạt động của các chi tiết, cơ cấu trong máy mà cịn đặc biệt thích hợp cho những người mới bắt đầu tiếp cận với công việc thiết kế, hoặc các thiết kế máy mới.
Sau khi được thiết kế, biên dạng lưỡi dao cũng đã được tối ưu hóa bằng phương pháp Taguchi.
CHƯƠNG 4: QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO
4.1 Quy trình cơng nghệ chi tiết trục
4.1.1 Phân tích chức năng và yêu cầu kỹ thuật của chi tiết - Chức năng của chi tiết: - Chức năng của chi tiết:
Chi tiết gia công thuộc loại chi tiết dạng trục có chức năng là mang chi tiết khác (dao động) và nhận chuyển động từ động cơ.
Chi tiết có 1 bề mặt trụ trơn dùng để lắp với ổ lăn và khớp nối, 1 bề mặt lục giác dùng để lắp với lỗ dao.
- Các yêu cầu kỹ thuật:
Bề mặt trụ trơn đạt độ nhám bề mặt 1.6 𝜇𝑚 và dung sai ∅20h6, dung sai độ
trụ đạt 0.006 mm, dung sai độ đồng trục đạt 0.016 mm. Bề mặt trơn có rãnh then 6x6x40 mm.
4.1.2 Chọn vật liệu Chọn thép 40Cr Chọn thép 40Cr
Thép 40Cr có thành phần hóa học như bảng 4.1 (trang 197 [45])
Bảng 4.1: Thành phần hóa học thép 40Cr
Cacbon Silic Mangan Niken Crom
0,37 – 0,44% 0,17 – 0,37% 0,5 – 0,8% 0,3% 0,8 – 1,1% Giới hạn bền 𝜎 = 980 MPa (trang 201 [46])
Giới hạn chảy 𝜎 = 785MPa (trang 201 [46])
với khả năng chịu tải tốt và tính phổ biến ta thấy rằng thép 40Cr xuất hiện trong chi tiết máy móc đặt biệt là chi tiết trục. Như vậy ta chọn thép 40Cr vào việc chế tạo trục cho máy băm nhựa, trong q trình đó để nâng cao cơ tính của vật liệu, sau khi gia công ta xử lý nhiệt gồm các bước tôi và ram cao.
4.1.3 Xác định dạng sản xuất
- Cơng thức tính sản lượng hàng năm: (trang 14 [50])
N = N . m(1 + ) (35)
Trong đó:
N : Số chi tiết được sản xuất trong một năm
N : Số sản phẩm (của máy) được sản xuất trong một năm N = 10000 chi tiết/năm
m : Số chi tiết trong một sản phẩm (một máy). m =1
: Số chi tiết được chế tạo thêm để dự phòng ( = 5 - 7%). Chọn = 6%
N = 10000 1 + = 10600 (chi tiết/năm)
- Khối lượng chi tiết được xác định: (trang 19 [50])
Q = V. γ (36)
Trong đó:
Q: khối lượng của chi tiết V: thể tích của chi tiết
γ: khối lượng riêng của vật liệu (γ của thép là 7.852 kg/dm ) Dùng phần mềm NX tính thể tích của chi tiết hình 4.1: V = 182465.6 𝑚𝑚 = 182465.6x10 𝑑𝑚
Hình 4.1: Thể tích trục Q =7.852 x 182465.6x10 = 1.4 kg Q =7.852 x 182465.6x10 = 1.4 kg
Tra bảng 1.1 trang 19 [50]
=> Ta chọn dạng sản xuất hàng loạt lớn.
4.1.4 Chọn phôi và phương pháp chế tạo phôi
Chọn phôi
Phôi thép thanh :
Dùng để chế tạo các chi tiết như xi lanh, con lăn, chi tiết kẹp, các loại trục, ...Thường dùng trong sản xuất hàng loạt vừa, lớn và hàng khối minh họa như hình 4.2.
Hình 4.2: Thép thanh [51] Phôi dập:
Dùng cho các loại chi tiết : dạng càng, trục răng thẳng, trục răng côn và các loại bánh răng khác,…
Phơi dập có lượng dư gia cơng ít bởi kích thước và hình dạng gần giống với chi tiết gia cơng.
Cơng nhân đứng máy u cầu có trình độ cao.
Thường dùng trong sản xuất hàng loạt lớn, hàng khối vì có năng suất cao, lượng dư kim loại ít, phơi có độ chính xác cao như hình 4.3.
Phôi rèn tự do:
Phôi của phương pháp rèn cho cơ tính tốt, kim loại chặt, chịu uốn và chịu xoắn tốt nhưng phơi rèn có hình dáng ít phức tạp hơn các loại phơi khác hình 4.4.
Rèn tự do là dùng ngoại lực tác dụng thông qua dụng cụ làm biến dạng tự do ở nhiệt độ rèn để tạo ra sản phẩm có hình dạng, kích thước theo yêu cầu. Thường dùng trong sản xuất đơn chiếc và hàng loạt nhỏ.
Hình 4.4: Rèn tự do [51] Phôi đúc :
Đúc là phương pháp chế tạo phơi có được bằng cách rót kim loại nóng chảy vào khn có hình dạng phù hợp. Phơi đúc thơng dụng nhất là phơi gang, ngồi ra có thể đúc được phơi thép và kim loại màu hình 4.5.
Đúc có thể tạo ra được các chi tiết có hình dạng phức tạp mà các phương pháp khác ( rèn, dập,...) khó có thể đạt được.
Thường dùng cho các loại chi tiết như :chi tiết dạng hộp, chi tiết dạng càng ,các gối đỡ,... Dùng trong sản xuất đơn chiếc và hàng loạt.
Hình 4.5: Phơi đúc [51] Phôi cán:
Phôi cán là loại phôi chế tạo bằng phương pháp biến dạng dẻo ở nhà máy luyện kim. Loại phơi này thường có hình dạng và kích thước theo tiêu chuẩn: phơi hình (U, I, L), phơi cán trịn, vng, ống như hình 4.6.
Phơi cán ứng dụng phổ biến trong ngành chế tạo máy. Cơ tính của phơi cán thì thấp hơn phôi dập, rèn.
Ta lựa chọn dạng phôi cán Bởi vì:
- Phù hợp với chi tiết dạng trục.
- Thích hợp với dạng sản xuất hàng loạt.
- Phơi cán có nhiều hình dạng khác nhau, có chiều dài và kích thước tiết diện ngang theo tiêu chuẩn, chất lượng bề mặt cao, độ chính xác cao.
- Q trình cán dễ cơ khí hóa và tự động hóa, năng suất cao.
Phương pháp chế tạo phôi
Các sản phẩm phôi cán được sử dụng trong hầu hết các ngành công nghiệp như: ngành xây dựng, công nghiệp ôtô, cơng nghiệp điện, ngành chế tạo máy, ... gồm có kim loại màu và kim loại đen. Sản phẩm cán được chia thành nhiều loại nhưng chủ yếu dựa vào tiết diện ngang và hình dáng của sản phẩm mà được chia thành 4 loại như sau:
Thép cán hình:
Loại thép này được dùng nhiều trong ngành xây dựng, ngành cầu đường, ngành Chế tạo máy, ...được phân loại thành 2 nhóm chính:
a) Thép cán hình có tiết diện đơn giản
Hình dạng sản phẩm được mơ tả như hình 4.7 [52].
- Thép cán lục giác có đường kính đường trịn nội tiếp D = 6 ÷ 100 mm. - Thép cán tam giác có 2 loại:
+Tam giác cạnh không đều: (30 x 20 x 20) + (200 x 150 x 150) mm. +Tam giác cạnh đều: (20 x 20 x 20) + (200 x 200 x 200) mm.
b) Thép cán hình có tiết diện phức tạp:
Hình dạng sản phẩm được mơ tả như hình 4.8 [52]
Hình 4.8: Cán tiết diện phức tạp [52]
- Loại thép cán này có một số kiểu dạng chữ như: U,T, I,...một trong số đó được sử dụng trong việc xây dựng đường sắt.
Thép cán tấm:
Là một trong những sản phẩm cán được hiện diện trong nhiều ngành công nghiệp: công nghiệp ôtô, ngành công nghiệp chế tạo vỏ tàu thuỷ, ngành chế tạo máy bay, ... gồm có 3 nhóm chính [52]: - Thép cán lá S = 0,001 ÷ 0,2 mm, B = 200 ÷ 1500 mm, L = 4000 ÷ 60000 mm. - Thép cán tấm mỏng: S = 0,2 ÷ 4 mm, B = 600 ÷ 2200 mm. - Thép cán tấm dày: S = 4 ÷ 60 mm, B = 600 ÷ 5000 mm, L= 4000 ÷ 12000 mm. Thép cán ống:
Loại thép cán này hầu hết được sử dụng cho việc làm ống cấp thoát nước trong ngành thuỷ lợi, vận chuyển dầu trong ngành dầu khí, trong các cơng trình xây dựng, ... gồm có 2 nhóm chính:
- Thép cán ống khơng hàn: các dạng ống này thì được cán từ phơi thỏi, có D = 200 ÷ 350 mm, L= 2000 ÷ 4000 mm.
- Thép cán ống có hàn: loại thép này được sản xuất từ dạng thép cán tấm và được cuốn thành ống sau đó hàn cố định lại, có D = 4000 ÷ 8000 mm và S = 14 mm [52].
Thép cán có hình dáng đặc biệt:
Đa phần thép cán có dạng đặc biệt được sản xuất dựa theo yêu cầu mang tính đặc thù của từng ngành từng phương pháp chế tạo: cán vỏ ơtơ, cán bi, cán các loại có tiết diện thay đổi theo chu kỳ hình 4.9 [52].
Hình 4.9: Cán tiết diện đặc biệt
=> Ta chọn phương pháp chế tạo phơi là thép cán hình tiết diện đơn giản.
Vì phù hợp với tiết diện chi tiết trục gia công và dạng sản xuất hàng loạt.
4.1.5 Quy trình cơng nghệ chế tạo chi tiết
Chọn phương án gia công bề mặt
Bước 2: Phay mặt khống chế chiều dài phôi đạt chiều dài L=310+0,2 mm, khoan tâm đồng thời 2 mặt đầu
+ Nguyên công 1: Tiện thô, tinh đạt ∅20,3 mm đạt chiều dài L=110+0,1 mm, có độ nhám 𝑅 = 3,2𝜇𝑚
+ Nguyên công 2: Tiện thô, tinh đạt ∅20,3 mm đạt chiều dài L=50+0,1 mm, có độ nhám 𝑅 = 3,2𝜇𝑚
+ Ngun cơng 3: Phay rãnh then 6x6x40 mm + Nguyên công 4: Xử lý nhiệt
+ Nguyên công 5: Mài bề mặt trụ bậc để đạt ∅20h6 mm, có độ nhám 𝑅 = 1,6𝜇𝑚
Phương án 2: Dùng 1 mũi chống tâm và mâm cặp 3 chấu. Nguyên công chuẩn bị:
Bước 1: Cắt trên máy cắt đĩa để đạt chiều dài L=312+0,3 mm
Bước 2: Phay mặt khống chế chiều dài phôi đạt chiều dài L=310+0,2 mm, khoan tâm đồng thời 2 mặt đầu
+ Nguyên công 1: Tiện thô, tinh đạt ∅20,3 mm đạt chiều dài L=110+0,1 mm, có độ nhám 𝑅 = 3,2𝜇𝑚
+ Nguyên công 2: Tiện thô, tinh đạt ∅20,3 mm đạt chiều dài L=50+0,1 mm, có độ nhám 𝑅 = 3,2𝜇𝑚
+ Nguyên công 3: Phay rãnh then 6x6x40 mm + Nguyên công 4: Xử lý nhiệt
Bảng 4.2: So sánh phương án 1 và 2
Phương án 1 Phương án 2
Ưu điểm - Đảm bảo độ đồng tâm cao qua nhiều lần gá.
- Khi di chuyển qua lại giữa các nguyên công giúp tiết kiệm nhiều thời gian gá đặt.
- Chọn chuẩn tinh là hai mũi chống tâm có thể sửa chữa, kiểm tra một cách nhanh chóng. - Định vị được 5 bậc tự do - Độ cứng vững cao. - Định vị được 4 bậc tự do - Phù hợp với dạng sản xuất đơn chiếc.
Nhược điểm - Dễ sinh mài mòn, sinh nhiệt do ma sát làm biến dạng giữa lỗ tâm và mũi chống tâm, do vậy ta phải sửa lỗ tâm khi bị mòn. - Độ cứng vững thấp và phải dùng tốc kẹp.
- Lực kẹp lớn gây ảnh hưởng đến bề mặt trục. - Vì trục lục giác nên quá trình gá kẹp lâu.
- Độ đồng tâm không cao khi di chuyển qua giữa các nguyên công.
- Khi di chuyển qua lại giữa các nguyên công mất nhiều thời gian gá đặt
Năng suất và kinh tế
Khi dùng hai mũi chống tâm quá trình gá đặt nhanh từ đó làm giảm thời gian khi gia công tạo ra năng suất cao hơn vậy nên làm giảm giá thành sản xuất.
=> Ta chọn phương án 1: Dùng 2 mũi chống tâm
Qui trình cơng nghệ gia công chi tiết trục Nguyên công chuẩn bị:
Hình 4.10: Ngun cơng chuẩn bị Chuẩn: Bề mặt A (chuẩn thô) Chuẩn: Bề mặt A (chuẩn thô)
Định vị: Phiến tì định vị mặt A hạn chế 3 bậc tự do gồm 2 xoay 1 tịnh tiến, 2 chốt tì hạn chế 2 bậc tự do gồm 1 xoay 1 tịnh tiến.
Kẹp chặt: Bằng khí nén mặt B Chọn máy: Chọn máy MP-71M
Tốc độ quay của trục chính khi phay n = 120 ÷ 712 (vịng/phút) Cơng suất động cơ N = 2,2 ÷ 7,5kW
Chọn dao: Dao phay mặt đầu gắn mảnh hợp kim cứng bảng 4-94 trang 376 [53] Vật liệu phần lưỡi cắt: T15K6
Bảng 4.3: Thông số dao phay mặt đầu
D (mm) B (mm) d(h7) (mm) Số răng
110 39 32 10
Mũi khoan tâm: 6x60°x18 hình 4.11[53].
Hình 4.11: Mũi khoan tâm [53]
Bảng 4.4: Thông số mũi khoan tâm
Ds(mm) L(mm) l(mm) Dc(mm)
18 90 6,5 6
Vật liệu phần mũi khoan: thép gió P18.
Nguyên công 1: Tiện thô, tinh đạt ∅20,3 mm đạt chiều dài L=110+0,1 mm Bước 1: Tiện thơ
Bước 2: Tiện tinh
Hình 4.13: Tiện tinh ngun cơng 1 Chuẩn: Mặt C và hai mũi chống tâm
Định vị: Hai mũi chống tâm hạn chế 5 bậc tự do 3 tịnh tiến 2 xoay hình 4.12 và hình 4.13.
Kẹp chặt: Mũi chống tâm di động.
Chọn máy: Máy tiện vạn năng 1k62 (trang 217 [54]).